DE3543804A1 - Switch having arc commutation - Google Patents

Switch having arc commutation

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DE3543804A1 DE19853543804 DE3543804A DE3543804A1 DE 3543804 A1 DE3543804 A1 DE 3543804A1 DE 19853543804 DE19853543804 DE 19853543804 DE 3543804 A DE3543804 A DE 3543804A DE 3543804 A1 DE3543804 A1 DE 3543804A1
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Abstract

A solid-state load switch which is connected in parallel with two separable contact elements leads the current away from these contact elements while said contact elements are separated in order to extinguish the arc which is struck between said contact elements. A zener diode inside the solid-state switch switches a triac on when the contact arc voltage reaches a specific magnitude, in order to transfer the current to a capacitor. When the capacitor voltage reaches the terminal voltage of a metal-oxide varistor which is connected in parallel with the capacitor, the current to the metal-oxide varistor then changes over and falls rapidly towards zero.

Description

Schalter mit LichtbogenkomitiutierungSwitch with arc control

Die britischen Patentschriften 1 072 267 und 1 152 903 erörtern die Verwendung eines spannungsabhängigen Widerstandes, um einen steuerbaren Siliziumgleichrichter über zwei trennenden Kontaktstücken zu schalten.British patents 1,072,267 and 1,152,903 discuss the use of a voltage dependent resistor, to switch a controllable silicon rectifier via two separating contact pieces.

Die US-PS 3 904 931 beschreibt die Verwendung eines steuerbaren Siliziumgleichrichters, der einer geschützten Vorrichtung parallel geschaltet ist, wobei eine Zener-Diode verwendet wird, um den Gleichrichter beim Auftreten einer Überspannung innerhalb des Stromkreises zu schalten.U.S. Patent 3,904,931 describes the use of a silicon controllable rectifier that is a protected device is connected in parallel, a zener diode being used to power the rectifier in the event of a To switch overvoltage within the circuit.

Die US-PS 3 887 849 beschreibt die Verwendung eines Halbleiterschalters in Reihe mit einem Schalter und einer Last, um das Anlegen einer Quellenspannung an die Last fürU.S. Patent 3,887,849 describes the use of a semiconductor switch in series with a switch and a load in order to apply a source voltage to the load for

eine längere Zeit als die Auslösezeit des Schalters zu verzögern. Eine Zener-Diode wird verwendet, um den Halbleiterschalter durchzuschalten.to delay a longer time than the tripping time of the switch. A zener diode is used to turn the semiconductor switch to switch through.

Die Verwendung eines Halbleiterschalters über den Stromkreis unterbrechenden Kontaktstücken mit verschiedenen Schaltungsanordnungen, die zum Übertragen des Stromes von den Kontaktstücken weg verwendet werden, ist bekannt. Auch die Verwendung eines positionsveränderlichen Schalters ist bekannt, wie beispielsweise eine einpolige Umschaltanordnung, die in Verbindung mit einem Kondensator und einem Widerstand als eine RC-Löscheinrichtung verwendet wird, wobei ein Hilfskontaktpaar gleichzeitig den Strom von den Hauptkontaktstücken durch die RC-Schaltung ableitet, um den Lichtbogen zu löschen, der sich zwischen den Hauptkontakten bildet. Nicht bekannt ist der Anmelderin jedoch die Verwendung einer Kombination von spannungsabhängigen Elementen, deren Anordnung hier vorgeschlagen wird, zum Übertragen von Strom durch ein erstes Schaltungselement für eine Zeit, um das anfängliche Lichtbogenplasma zu deionisieren und um die Kontaktflächen auf eine Temperatur unterhalb der thermionischen Emission zu senken, und dann auf ein zweites Schaltungselement für eine ausreichende Zeit, um die in der Induktivität des Strompfades gespeicherte Energie abzuführen und zu bewirken, daß der Strom auf einen ausreichend kleinen Wert abfällt, um den Strom zu unterbrechen.The use of a solid state switch across the circuit interrupting contact pieces with various circuit arrangements that are used to transmit the current from the contact pieces are used away is known. The use of a variable-position switch is also known, such as a single-pole switching arrangement, which is used in conjunction with a capacitor and a resistor as an RC canceller is, with an auxiliary contact pair at the same time the current from the main contact pieces through the RC circuit dissipates to extinguish the arc that forms between the main contacts. The applicant is not known however, the use of a combination of voltage-dependent elements, the arrangement of which is proposed here is used to transmit current through a first circuit element for a time to the initial arc plasma to deionize and to lower the contact surfaces to a temperature below the thermionic emission, and then on a second circuit element for a sufficient time to reflect the inductance of the current path dissipate stored energy and cause the current to drop to a sufficiently small value, to cut the power.

Erfindungsgemäß wird ein Festkörperschalter unter Verwendung von Lichtbogenkommutation geschaffen, wobei ein Festkörperschalter und ein spannungsabhängiger Widerstand parallel über zwei trennbare Kontaktstücke geschaltet sind. Eine Zener-Diode ist so angeordnet, daß der Festkörperschalter durchgeschaltet wird, wenn die Bogenspannung über den getrennten Kontaktstücken eine vorbestimmte Spannung erreicht. Ein Kondensator, der dem spannungsabhängigenAccording to the invention, a solid-state switch is created using arc commutation, a solid-state switch and a voltage-dependent resistor are connected in parallel via two separable contact pieces. A Zener diode is arranged so that the solid-state switch is turned on when the arc voltage is over the separated contact pieces a predetermined voltage achieved. A capacitor that depends on the voltage

Widerstand parallel geschaltet ist, lädt sich auf die Kleminspannung des spannungsabhängigen Widerstandes auf, der dann leitend wird, um den Strom von dem Festkörperschalter weg zu übertragen. Die Klemmspannung wird so gewählt, daß sie höher als die Systemspannung ist, um dadurch zu bewirken, daß der Strom sich einem kleinen Wert nähert und den Stromkreis unterbricht.Resistor is connected in parallel, charges to the terminal voltage of the voltage-dependent resistor, which then becomes conductive to transfer the current away from the solid-state switch. The clamping voltage is chosen so that it is higher than the system voltage to thereby to cause the current to approach a small value and break the circuit.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.The invention will now be described with further features and advantages on the basis of the description and drawings of exemplary embodiments explained in more detail.

Figur 1 - ist eine schematische Darstellung des Lastschalters gemäß der Erfindung.Figure 1 - is a schematic representation of the circuit breaker according to the invention.

Figur 2 - ist eine graphische Darstellung der Änderung der Spannung über den Kontaktstücken innerhalb des in Figur 1 gezeigten Lastschalters als eine Funktion der Zeit.Figure 2 is a graph of the change in Voltage across the contact pieces within the circuit breaker shown in Figure 1 as a Function of time.

Figur 3 - ist eine graphische Darstellung des Stroms der in Figur 1 gezeigten Schaltungsanordnung als eine Funktion der Zeit.Figure 3 is a graphical representation of the current of the circuitry shown in Figure 1 as a function of time.

Figur 1 zeigt eine geschützte Schaltungsanordnung 10 mit einer Wechselspannungsquelle 9, die einer Last, die durch den Widerstand R und die Induktivität L dargestellt ist, über einen Schalter 11 Strom zuführt, der zwei Sammelleiter 14,15 über entsprechende Kontaktstücke 12,13 verbindet. Um den Lichtbogen zu löschen, wenn die Kontaktstücke 12 und 13 getrennt sind, ist ein Lastschalter 16 den Kontaktstücken parallel geschaltet. Der Schalter weist einen Thyristor, wie beispielsweise einen steuerbaren Siliziumschalter (SCR) oder ein Triac Q1 in Reihe mit einem Kondensator C. auf, die den Kontaktstücken parallel geschaltet sind. Ein Varistor oder eine bi-direktionale Zener-Diode Z. ist zwischen die Steuerelektrode des TriacsFIG. 1 shows a protected circuit arrangement 10 with an alternating voltage source 9, which supplies a load, which is represented by the resistor R and the inductance L, via a switch 11 with current, which connects two bus bars 14, 15 via corresponding contact pieces 12, 13. In order to extinguish the arc when the contact pieces 12 and 13 are separated, a load switch 16 is connected in parallel to the contact pieces. The switch has a thyristor, such as a controllable silicon switch (SCR) or a triac Q 1 in series with a capacitor C., which are connected in parallel to the contact pieces. A varistor or a bi-directional Zener diode Z. is between the control electrode of the triac

und den Sammelleiter 14 über einen Widerstand R geschaltet. Die Zener-Diode kann für einige Anwendungsfälle parallel zur Steuerelektrode des Triacs und den Hauptanschluß 20 gegenüber der Steuerelektrode geschaltet werden anstatt mit dem Versorgungsleiter. Wenn die Kontakte 12,13 geschlossen sind/fließt kein Strom zur Steuerelektrode des Triacs, und das Triacs bleibt in seinem ausgeschalteten Zustand und der Kondensator C. wird über den Widerstand R vollständig entladen. Wenn die Kontaktstücke geöffnetwerden, tritt ein Lichtbogen zwischen den Kontaktstücken auf, und es fließt Strom durch die Zener-Diode, wenn die Bogenspannung einen ersten vorbestimmten Wert erreicht, wie beispielsweise etwa 100 Volt, um das Triac durchzuschalten. Der Strom wird von dem Lichtbogen auf den Kondensator übertragen, wodurch sich die Kontaktstücke abkühlen können und der Kondensator auf eine zweite vorbestimmte Spannung von etwa 1000 Volt aufgeladen wird, was die Klemmspannung des spannungsabhängigen Siliziumcarbid- oder Metalloxid-Varistors MOV ist. Der Metalloxid-Varistor MOV wird dann leitend und der Strom wird durch den Metalloxid-Varistor MOV übertragen. Da die Klemmspannung größer als die Systemspannung V ist, geht der Strom rasch auf null, wodurch der Unterbrechungsprozeß abgeschlossen wird.and the bus bar 14 connected via a resistor R. For some applications, the Zener diode can be connected in parallel to the control electrode of the triac and the main connection 20 opposite the control electrode instead of with the supply conductor. When the contacts 12, 13 are closed / no current flows to the control electrode of the triac, and the triac remains in its switched-off state and the capacitor C. is completely discharged via the resistor R. When the contacts are opened, an arc occurs between the contacts and current flows through the Zener diode when the arc voltage reaches a first predetermined value, such as about 100 volts, to turn the triac through. The current is transferred from the arc to the capacitor, allowing the contacts to cool and charging the capacitor to a second predetermined voltage of approximately 1000 volts, which is the clamping voltage of the silicon carbide or metal oxide voltage dependent varistor MOV. The metal oxide varistor MOV then becomes conductive and the current is transmitted through the metal oxide varistor MOV. Since the clamp voltage is greater than the system voltage V, the current quickly goes to zero, completing the interruption process.

Wenn ein SCR anstelle des Thyristors in der Schaltungsanordnung gemäß Figur 1 verwendet wird, ist ein Brückengleichrichter zwischen der Wechselstromquelle und dem SCR erforderlich.If an SCR is used instead of the thyristor in the circuit arrangement according to FIG. 1, a bridge rectifier is used required between the AC power source and the SCR.

Wenn eineWhen a

Gleichspannungsquelle anstelle der Wechselstromquelle 9 verwendet wird, kann ein Thyristor anstelle des Triacs verwendet werden, und die Zener-Diode schaltet dann den Thyristor durch, wenn die Zener-Spannung den ersten vorbestimmten Wert erreicht. Eine Vierschichtdiode, wie beispielsweise eine zwei Anschlüsse aufweisende Shockley-A DC voltage source is used instead of the AC current source 9, a thyristor can be used instead of the triac are used, and the Zener diode then turns on the thyristor when the Zener voltage exceeds the first predetermined Value reached. A four-layer diode, such as a two-terminal Shockley

ORlGINAL INSPECTEDORlGINAL INSPECTED

Diode, kann anstelle sowohl der Zener-Diode als auch des Thyristors bei einer derartigen Gleichstromanwendung verwendet werden. Die Spannung über der Diode selbst ist so gewählt, daß sie die Diode durchschaltet. Bei Wechselstromanwendungen ersetzt eine bi-direktionale, spannungsabhängige Vierschichtdiode die Zener-Diode und auch den Thyristor, da keine Steuerelektrode erforderlich ist, um die Diode leitend zu machen. Ein Beispiel für eine derartige bi-direktionale, spannungsabhängige Diode ist ein "Sidac", welches ein Handelsname der Unitrode Company ist. Die Schalterspannung V ist bei 17 in Figur 2 für die folgenden Zeitsequenzen gezeigt. Die Kontaktstücke werden zunächst bei t getrennt, wobei sich eine Bogenspannung entwickelt, die die Zener-Spannung V~ zur Zeit t. erreicht, zu welcher Zeit die bi-direktionale Zener-Diode leitend wird, wodurch der Strom von dem Lichtbogen auf den Kondensator C- durch das Triac übertragen wird. Zur Zeit t2 überschreitet die Kondensatorspannung V-, die Klemmspannung des Metalloxid-Varistors MOV, wodurch der Strom auf den MOV übergeht. Zur Zeit t~ ist der Strom durch die Schaltungsanordnung vollständig unterbrochen, und die Schalterspannung ist gleich der Quellenspannung V_.Diode, can be used in place of both the Zener diode and the thyristor in such a DC application. The voltage across the diode itself is chosen so that it switches the diode through. In AC applications, a bi-directional, voltage-dependent four-layer diode replaces the Zener diode and also the thyristor, since no control electrode is required to make the diode conductive. An example of such a bi-directional, voltage-dependent diode is a "Sidac" which is a trade name of the Unitrode Company. The switch voltage V is shown at 17 in Figure 2 for the following time sequences. The contact pieces are first separated at t, whereby an arc voltage develops which the Zener voltage V ~ at time t. reaches, at which time the bi-directional Zener diode becomes conductive, whereby the current is transferred from the arc to the capacitor C- through the triac. At time t 2 , the capacitor voltage V- exceeds the clamping voltage of the metal oxide varistor MOV, causing the current to pass to the MOV. At time t ~, the current through the circuit arrangement is completely interrupted, and the switch voltage is equal to the source voltage V_.

Figur 3 zeigt den Systemstrom 18, der den in Figur 2 gezeigten Zeitinkrementen für die Schalterspannung 17 entspricht. Es sei darauf hingewiesen, daß der Strom nur leicht abfällt über dem Zeitinkrement von t„, wo die Kontaktstücke sich das erste Mal öffnen, bis zum Zeitpunkt t2, wenn der MOV das erste Mal leitend wird. Der Strom fällt dann rasch ab durch den MOV bis zur Zeit t^j, zu welcher Zeit der Stromfluß endet.FIG. 3 shows the system stream 18, which corresponds to the time increments shown in FIG. 2 for the switch voltage 17. It should be noted that the current drops only slightly over the time increment from t ″, where the contact pieces open for the first time, to time t 2 , when the MOV becomes conductive for the first time. The current then rapidly drops through the MOV until time t ^ j, at which time current flow ceases.

Der Kondensator C1 kann durch einen Widerstand mit einem positiven Temperaturkoeffizienten ersetzt werden. Ein einen positiven Temperaturkoeffizienten aufweisender Widerstand hat einen relativ kleinen Widerstandswert beiThe capacitor C 1 can be replaced by a resistor with a positive temperature coefficient. A resistor having a positive temperature coefficient has a relatively small resistance value at

niedrigen Betriebstemperaturen und einen sehr hohen Widerstand bei höheren Betriebstemperaturen. Für einen effizienten Betrieb in der hier beschriebenen Schaltungsanordnung sollte das Verhältnis des Widerstandes bei hohen Temperaturen zu niedrigen Temperaturen in der Größenordnung von 1000 zu 1 liegen.low operating temperatures and a very high resistance at higher operating temperatures. For an efficient Operation in the circuit arrangement described here should keep the ratio of the resistance at high Temperatures at low temperatures are on the order of 1000 to 1.

Claims (1)

PatentansprücheClaims 1 .1 . Lastschalter mit zwei trennbaren Kontaktstücken zum Unterbrechen des Stromflusses durch eine Schaltungsanordnung,Load switch with two separable contact pieces to interrupt the flow of current through a circuit arrangement, gekennzeichnet durch einen schaltbaren Halbleiter (Q1) in Reihe mit einer Spannungsspeichereinrichtung (C-), wobei sowohl der schaltbare Halbleiter als die Spannungsspeichereinrichtung den trennbaren Kontaktstücken (12,13) parallel geschaltet sind zum. übertragen des Stromes von den Kontaktstücken weg, undcharacterized by a switchable semiconductor (Q 1 ) in series with a voltage storage device (C-), both the switchable semiconductor and the voltage storage device being connected in parallel to the separable contact pieces (12, 13). transfer the current away from the contact pieces, and ein erstes spannungsabhängiges Element (Z-), das mit dem schaltbaren Halbleiter (Q-) verbunden ist, zum Durchschalten des schaltbaren Halbleiters bei einer ersten vorbestimmten Spannung über den Kontaktstücken (12,13).a first voltage-dependent element (Z-) connected to the switchable semiconductor (Q-) is, for switching through the switchable semiconductor at a first predetermined voltage over the contact pieces (12,13). Lastschalter nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß ein zweites spannungsabhängiges Element (MOV)den Kontaktstücken parallel geschaltet ist zum Über-Load switch according to Claim 1, characterized in that that a second voltage-dependent element (MOV) is connected in parallel to the contact pieces for over- tragen des Stromes von der Spannungsspeichereinrichtung weg bei einer zweiten vorbestimmten Spannung über den Kontaktstücken.carry the current away from the voltage storage device at a second predetermined one Voltage across the contact pieces. 3. Lastschalter nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß ein Widerstand mit einem positiven Temperaturkoeffizienten anstelle der Spannungsspeichereinrichtung verwendet ist zum Übertragen des Stromes von den Kontaktstücken weg.3. Load switch according to claim 1, characterized in that that a resistor with a positive temperature coefficient instead of the voltage storage device is used to transfer the current away from the contact pieces. 4. Lastschalter nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der schaltbare Halbleiter einen Thyristor oder einen Transistor aufweist.4. Load switch according to claim 1, characterized in that that the switchable semiconductor has a thyristor or a transistor. 5. Lastschalter nach Anspruch 2 , dadurch gekennzeichnet, daß das zweite spannungsabhängige Element einen Metalloxid- oder Siliziumcarbid-Varistor aufweist. 5. Load switch according to claim 2, characterized in that the second voltage-dependent element is a Has metal oxide or silicon carbide varistor. 6. Lastschalter nach Anspruch 4 , dadurch gekennzeichnet, daß der Thyristor ein steuerbarer Siliziumgleich richter oder ein Triac ist.6. Load switch according to claim 4, characterized in that the thyristor is a controllable silicon equivalent judge or a triac. 7. Lastschalter nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß das erste spannungsabhängige Element eine Diode oder einen Varistor aufweist.7. Load switch according to claim 1, characterized in that the first voltage-dependent element is a Has a diode or a varistor. 8. Lastschalter nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungspeichereinrichtung einen Konden sator aufweist.8. Load switch according to claim 1, characterized in that the voltage storage device has a condenser has sator. 9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der schaltbare Halbleiter ein Triac ist und das erste spannungsabhängige Element zwischen eine Steuerelektrode des Triacs und eines der Kontaktstücke geschaltet ist.9. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that that the switchable semiconductor is a triac and the first voltage-dependent element between a control electrode of the triac and one of the contact pieces is connected. 10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß ein Strombegrenzungswiderstand mit dem ersten spannungsabhängigen Element in Reihe geschaltet ist.10. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that that a current limiting resistor in series with the first voltage dependent element is switched. 11. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß ein Widerstand (Rn) der Spannungsspeichereinrichtung (C1) parallel geschaltet ist.11. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that a resistor (R n ) of the voltage storage device (C 1 ) is connected in parallel. 12i Lastschalter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11 ,12i load switch according to one or more of the claims 1 to 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein spannungsabhängiger Halbleiter mit einer Spannungspeichereinrichtung in Reihe geschaltet ist, sowohl der spannungsabhängige Halbleiter als auch die Spannungsspeichereinrichtung den trennbaren Kontaktstücken parallel geschaltet sind zum Übertragen des Stroms von den Kontaktstücken weg bei einer ersten vorbestimmten Spannung über den Kontaktstücken, und ein spannungsabhängiges Element, das mit dem spannungsabhängigen Halbleiter verbunden ist, zum Übertragen des Stromes von der Spannungsspeichereinrichtung weg beim Auftreten einer zweiten vorbestimmten Spannung über den Kontaktstücken. characterized in that a voltage-dependent semiconductor with a Voltage storage device is connected in series, both the voltage-dependent semiconductor as well as the voltage storage device connected in parallel to the separable contact pieces are for transferring the current away from the contact pieces at a first predetermined voltage over the contact pieces, and a voltage dependent element connected to the voltage dependent semiconductor, for transferring the current away from the voltage storage device in the event of a second predetermined voltage across the contact pieces. 13. Lastschalter nach Anspruch 12 , dadurch gekennzeichnet, daß der spannungsabhängige Halbleiter eine Vierschichtdiode ist.13. Load switch according to claim 12, characterized in that the voltage-dependent semiconductor is a four-layer diode is. 14. Lastschalter nach Anspruch 12 , dadurch gekennzeichnet, daß das spannungsabhängige Element einen Metalloxid- oder Siliziumcarbid-Varistor aufweist.14. Load switch according to claim 12, characterized in that the voltage-dependent element comprises a metal oxide or silicon carbide varistor. ORiGfNAL INSPECTEDORiGfNAL INSPECTED
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